Le prestazioni di una telecamera termica

Foto progetto MLX90620

In questo articolo proponiamo una interessante applicazione per il rilevamento termico di oggetti in movimento. Tramite la telecamera termica MLX90620 della Melexis abbiamo realizzato un sistema in grado di "osservare" l'ambiente circostante e visualizzarlo tramite una matrice interpolata, i cui colori rappresentano la temperatura degli oggetti. I dati termici sono estratti con Arduino UNO tramite protocollo I2C, mentre sul PC un applicativo MATLAB opera il post processing e propone all'utente un'interfaccia semplice ed intuitiva per impartire comandi al dispositivo.

 

Il Dispositivo

Come è noto dalle leggi fondamentali della termodinamica sull'irraggiamento, qualsiasi corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto, in pratica tutti gli oggetti reali, emette radiazioni elettromagnetiche. In particolare, corpi con temperatura ambiente emettono onde nello spettro dell'infrarosso. Per la legge di Wien, più l'oggetto è caldo e più la sua radiazione si avvicina allo spettro visibile, sino a diventare rosso incandescente.

Dando un'occhiata allo spettro elettromagnetico, la frequenza dell'infrarosso è localizzata al di sotto del rosso (dal latino infra = "sotto"), colore visibile con la frequenza più bassa e al di sopra delle onde radio.
MLX90620 FIRray è una matrice 16X4 di sensori termopila, nonché una semplice serie di termocoppie,  idonei a rilevare la radiazione termica e la temperatura di un oggetto, senza la necessità di contatto.
Nel 1821, Thomas Johann Seebeck scoprì l'effetto termoelettrico (Effetto Seebeck): una piccola corrente elettrica fluisce in un circuito chiuso composto da due metalli diversi (A e B) quando le loro giunzioni sono tenute a due temperature diverse (T, T+ΔT), vedi Figura 1. La coppia di conduttori che costituiscono il circuito termoelettrico è detta termocoppia. La quantità di energia elettrica prodotta può essere considerata una misura della temperatura; pertanto questo effetto viene sfruttato come termometro, mantenendo una delle due giunzioni a temperatura fissata, nota e riproducibile. Questa temperatura è detta temperatura di riferimento, per misure pratiche viene utilizzata la temperatura di fusione del ghiaccio (0°C).

Principio di funzionamento di una termocoppia

Figura 1: Principio di funzionamento di una termocoppia

Una termocoppia, quindi, è costituita da una coppia di conduttori di diverso materiale uniti tra loro in un punto. Questo punto è detto giunzione calda (lì dove viene applicata la temperatura da misurare). L'altra estremità, costituita dalle estremità libere dei conduttori è chiamata fredda (vedi Figura 2).
A seconda dei due conduttori elettrici che compongono la giunzione e in base al campo di applicazione , possiamo distinguere diverse tipologie di termocoppie.
In particolare nella nostra telecamera termica ritroviamo delle termopile che, come già detto, sono dei sensori di temperatura costituiti da k termocoppie collegate in serie, con le rispettive giunzioni di riferimento e di misura alla stessa temperatura. Ogni singola termopila possiede una differenza di potenziale k volte superiore alla singola termocoppia; questo produce un aumento della sensibilità della stessa. Considerando l'estesa area associata alle giunzioni di misurazione, la temperatura rilevata è in realtà una temperatura media. Questa informazione giustificherà, più avanti, il comportamento dei singoli pixel.

Termocoppia

Figura 2: Termocoppia

Ovviamente sono stati qui riportati esclusivamente dei cenni basici su questi trasduttori di temperatura di larghissimo utilizzo, ma la loro teoria è ben più ricca e complessa.
MLX90620 produce in tempo reale una mappa di valori di calore per l’area di destinazione, senza la necessità di eseguire la scansione della zona d’interesse attraverso l’uso di dispositivi molto costosi, come i microbolometri. La telecamera opera nel range di temperatura compreso tra i -50°C e i 300°C (riferito agli oggetti) e nel campo del lontano infrarossi (FaR Infrared con lunghezza d’onda λ compresa tra i 15 μm e 1000 μm, o in altre parole, frequenze comprese in un range di circa 300 GHz - 20 THz). MLX90620 contiene 64 pixels IR, ognuno con amplificatore chopper e ADC dedicato. Inoltre, all'interno, è integrato un sensore PTAT (Proportional To Absolute Temperature) che permette di misurare la temperatura ambiente del chip, in un range compreso tra -40°C e 85°C. Gli output dei sensori IR e PTAT vengono memorizzati in una RAM interna e sono accessibili tramite protocollo I2C (è possibile trovare un approfondimento del protocollo in un precedente articolo) per la successiva elaborazione al fine di ottenere le temperature in gradi centigradi o nella scala termica più idonea effettuando le dovute conversioni. In particolare, dai sensori si ottengono:

  • 16-bit da ognuno dei 64 sensori (uno per ogni pixel) per la misurazione IR e quindi (2[byte/pixel]*64[pixels])=128 byte;
  • 16-bit dal sensore PTAT.

In base all'applicazione, il microcontrollore esterno (nel nostro caso Arduino UNO), può leggere i diversi dati dalla RAM e, basandosi sui valori di calibrazione archiviati nella memoria EEPROM contenuta all'interno del dispositivo, compensare le differenze tra i sensori per calcolare la temperatura in ogni punto della “scena inquadrata” e creare un’immagine termica.
Le costanti di calibrazione sono accessibili, dal microcontrollore utilizzatore, sempre tramite bus I2C, e devono essere utilizzate per la post-elaborazione dei dati termici, così da considerare tutti i fenomeni che potrebbero inficiare la misura.
A proposito delle operazioni eseguibili su memoria EEPROM, vi suggeriamo di dare un'occhiata all'articolo relativo (tornerà utile più avanti!).
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